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División del agua

Diagrama de la ecuación química de la electrólisis del agua , una forma de división del agua. La división del agua es la reacción química endergónica en la que el agua se descom...

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Diagrama de la ecuación química de la electrólisis del agua , una forma de división del agua.

La división del agua es la reacción química endergónica en la que el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno : [ 1 ]

2 H 2 O → 2 H 2 + O 2

La disociación eficiente y económica del agua representaría un avance tecnológico fundamental para una economía del hidrógeno . Una versión de la disociación del agua ocurre en la fotosíntesis , pero el hidrógeno no se libera, sino que se utiliza iónicamente para impulsar el ciclo de Calvin . El proceso inverso a la disociación del agua constituye la base de la pila de combustible de hidrógeno . La disociación del agua mediante radiación solar aún no se ha comercializado.

Electrólisis

Utilización de la electricidad atmosférica para la reacción química en la que el agua se separa en oxígeno e hidrógeno. (Imagen vía: Vion, patente estadounidense n.º 28793, junio de 1860).
Parte frontal del electrolizador con el panel eléctrico en primer plano.

La electrólisis del agua es la descomposición del agua (H₂O ) en oxígeno (O₂ ) e hidrógeno (H₂ ) : [ 2 ]

Buque de electrólisis de agua Hydrogen Challenger

La producción de hidrógeno a partir de agua requiere mucha energía. Generalmente, la electricidad consumida es más valiosa que el hidrógeno producido, por lo que este método no se ha utilizado ampliamente. A diferencia de la electrólisis a baja temperatura, la electrólisis a alta temperatura (EAT) del agua convierte una mayor parte de la energía térmica inicial en energía química (hidrógeno), lo que puede duplicar la eficiencia hasta aproximadamente el 50 %. Dado que parte de la energía en la EAT se suministra en forma de calor, se reduce la cantidad de energía que debe transformarse dos veces (de calor a electricidad y luego a forma química), lo que hace que el proceso sea más eficiente.

La electrólisis a alta temperatura (también conocida como electrólisis de vapor o HTE ) es un método para la producción de hidrógeno a partir de agua, con oxígeno como subproducto.

Descomposición del agua en la fotosíntesis

En la fotosíntesis se produce una especie de división del agua, pero los electrones se desvían, no hacia los protones, sino hacia la cadena de transporte de electrones del fotosistema II . Estos electrones se utilizan para reducir el dióxido de carbono, que finalmente se incorpora a los azúcares.

La fotoexcitación del fotosistema I inicia la transferencia de electrones a una serie de aceptores de electrones, reduciendo finalmente el NADP + a NADPH. El fotosistema I oxidado captura electrones del fotosistema II a través de una serie de pasos que involucran plastoquinona , citocromos y plastocianina . El fotosistema II oxidado oxida el complejo generador de oxígeno (OEC), que convierte el agua en O2 y protones. [ 3 ] [ 4 ] Dado que el sitio activo del OEC contiene manganeso , gran parte de la investigación se ha centrado en compuestos sintéticos de Mn como catalizadores para la oxidación del agua. [ 5 ]

Un biorreactor de algas para la producción de hidrógeno.

En la producción biológica de hidrógeno , los electrones producidos por el fotosistema se desvían no a un aparato de síntesis química, sino a hidrogenasas , lo que da como resultado la formación de H₂ . Este biohidrógeno se produce en un biorreactor . [ 6 ]

División fotoelectroquímica del agua

El uso de electricidad producida por sistemas fotovoltaicos ofrece potencialmente la forma más limpia de producir hidrógeno, aparte de la energía nuclear, eólica, geotérmica e hidroeléctrica. Nuevamente, el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis, pero la energía eléctrica se obtiene mediante un proceso de celda fotoelectroquímica (PEC). El sistema también se denomina fotosíntesis artificial . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

La catálisis y las membranas de transferencia de protones suelen ser el foco del desarrollo. [ 10 ]

Descomposición fotocatalítica del agua

La conversión de energía solar en hidrógeno mediante el proceso de disociación del agua podría ser más eficiente si se asiste mediante fotocatalizadores suspendidos en agua en lugar de un sistema fotovoltaico o electrolítico, de modo que la reacción se lleve a cabo en un solo paso. [ 11 ] [ 12 ]

Radiólisis

La radiación nuclear energética puede romper los enlaces químicos de una molécula de agua. En la mina de oro de Mponeng , Sudáfrica , los investigadores encontraron en una zona de alta radiación natural una comunidad dominada por Desulforudis audaxviator , un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , que se alimenta principalmente de H₂ producido radiolíticamente . [ 13 ]

Descomposición térmica del agua

En la termólisis , las moléculas de agua se dividen en hidrógeno y oxígeno . Por ejemplo, a 2200 °C (2470 K; 3990 °F) aproximadamente el tres por ciento de todo el H₂O se disocia en varias combinaciones de átomos de hidrógeno y oxígeno, principalmente H, H₂ , O, O₂ y OH. Otros productos de reacción como H₂O₂ o HO₂ permanecen en menor cantidad. A la temperatura muy alta de 3000 °C (3270 K; 5430 °F) más de la mitad de las moléculas de agua se descomponen. A temperaturas ambiente , solo una molécula de cada 100 billones se disocia por efecto del calor. [ 14 ] Los requisitos de alta temperatura y las limitaciones de los materiales han limitado las aplicaciones del enfoque de descomposición térmica.      

Otras investigaciones incluyen la termólisis en sustratos de carbono defectuosos , lo que hace posible la producción de hidrógeno a temperaturas ligeramente inferiores a 1000 °C (1270 K; 1830 °F) . [ 15 ]   

Una ventaja adicional de un reactor nuclear que produce tanto electricidad como hidrógeno es que puede alternar la producción entre ambos. Por ejemplo, una central nuclear podría producir electricidad durante el día e hidrógeno por la noche, ajustando su perfil de generación eléctrica a la variación diaria de la demanda. Si el hidrógeno se puede producir de forma económica, este sistema competiría favorablemente con los sistemas de almacenamiento de energía en la red eléctrica existentes . En 2005, la demanda de hidrógeno en Estados Unidos era suficiente para que dichas centrales pudieran cubrir toda la generación máxima diaria. [ 16 ]

El ciclo termoeléctrico híbrido de cobre-cloro es un sistema de cogeneración que utiliza el calor residual de los reactores nucleares, específicamente del reactor de agua supercrítica CANDU . [ 17 ]

Energía solar térmica

La energía solar concentrada puede alcanzar las altas temperaturas necesarias para la disociación del agua. Hydrosol-2 es una planta piloto de 100 kilovatios ubicada en la Plataforma Solar de Almería, en España , que utiliza la luz solar para obtener la temperatura requerida de 800 a 1200 °C (1070 a 1470 K; 1470 a 2190 °F) para la disociación del agua. Hydrosol II está en funcionamiento desde 2008. El diseño de esta planta piloto de 100 kilovatios se basa en un concepto modular. Por lo tanto, es posible que esta tecnología pueda ampliarse fácilmente a la escala de megavatios multiplicando las unidades de reactor disponibles y conectando la planta a campos de heliostatos (campos de espejos de seguimiento solar) de tamaño adecuado. [ 18 ]   

Las limitaciones de materiales debidas a las altas temperaturas requeridas se reducen mediante el diseño de un reactor de membrana con extracción simultánea de hidrógeno y oxígeno que aprovecha un gradiente térmico definido y la rápida difusión del hidrógeno. Con luz solar concentrada como fuente de calor y solo agua en la cámara de reacción, los gases producidos son muy limpios, siendo el agua el único contaminante posible. Un "craqueador solar de agua" con un concentrador de aproximadamente 100 m² puede producir casi un kilogramo de hidrógeno por hora de sol. [ 19 ]

El ciclo azufre-yodo (ciclo S-I) es una serie de procesos termoquímicos utilizados para producir hidrógeno . El ciclo S-I consta de tres reacciones químicas cuyo reactivo neto es agua y cuyos productos netos son hidrógeno y oxígeno . Todos los demás productos químicos se reciclan. El proceso S-I requiere una fuente de calor eficiente.

Se han descrito más de 352 ciclos termoquímicos para la división del agua mediante termólisis . [ 20 ] Estos ciclos prometen producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua y calor sin utilizar electricidad. [ 21 ] Dado que toda la energía de entrada para estos procesos es calor, pueden ser más eficientes que la electrólisis a alta temperatura. Esto se debe a que la eficiencia de la producción de electricidad es inherentemente limitada. La producción termoquímica de hidrógeno utilizando energía química del carbón o del gas natural generalmente no se considera, porque la ruta química directa es más eficiente.

Para todos los procesos termoquímicos, la reacción resumen es la de la descomposición del agua: [ 21 ]2H2O⇌Calor2H2+O2{\displaystyle {\ce {2H2O <=>[{\ce {Heat}}] 2H2{}+ O2}}}

Referencias

  1. ↑ Kudo, Akihiko; Miseki, Yugo (2009). "Materiales fotocatalíticos heterogéneos para la división del agua". Chem. Soc. Rev. 38 ( 1): 253– 278. doi : 10.1039/b800489g . PMID 19088977 . 
  2. ^ Kumar, Mohit; Meena, Bhagatram; Subramanyam, Palyam; Suryakala, Duvvuri; Subrahmanyam, Challapalli (11 de noviembre de 2022). "Tendencias recientes en la división fotoelectroquímica del agua: el papel de los cocatalizadores" . Materiales NPG Asia . 14 (1): 88. Código Bib : 2022npjAM..14...88K . doi : 10.1038/s41427-022-00436-x . ISSN 1884-4057 . 
  3. ↑ Yano J, Kern J, Sauer K, Latimer MJ, Pushkar Y, Biesiadka J, et al. (noviembre de 2006). " Donde el agua se oxida a dioxígeno: estructura del clúster fotosintético Mn4Ca" . Science . 314 (5800): 821– 5. Bibcode : 2006Sci...314..821Y . doi : 10.1126/science.1128186 . PMC 3963817. PMID 17082458 .   
  4. ↑ Barber J (marzo de 2008). "Estructura cristalina del complejo generador de oxígeno del fotosistema II". Química inorgánica . 47 (6): 1700– 10. doi : 10.1021/ic701835r . PMID 18330964 . 
  5. ↑ Universidad de Monash (17 de agosto de 2008). "El equipo de Monash aprende de la naturaleza a separar el agua" . EurekAlert .
  6. ↑ Melis T (2008). "II.F.2 Maximización de la eficiencia de utilización de la luz y la producción de hidrógeno en cultivos de microalgas" (PDF) . Programa de hidrógeno del DOE - Informe anual de progreso . Departamento de Energía de EE. UU . pp. 187–190 . 
  7. ↑ Kleiner K (31 de julio de 2008). "El electrodo ilumina el camino hacia la fotosíntesis artificial" . New Scientist .
  8. ↑ Bullis K (31 de julio de 2008). "Avance en la energía solar. Investigadores han encontrado una forma barata y sencilla de almacenar la energía producida por la energía solar" . MIT Technology Review .
  9. ↑ del Valle F, Ishikawa A, Domen K, Villoria De La Mano JA, Sánchez-Sánchez MC, González ID, et al. (2009). "Influencia de la concentración de Zn en la actividad de soluciones sólidas de Cd 1–x Zn x S para la división del agua bajo luz visible". Catalysis Today . 143 ( 1– 2): 51– 59. doi : 10.1016/j.cattod.2008.09.024 . 
  10. ↑ Chu S, Li W, Hamann T, Shih I, Wang D, Mi Z (2017). "Hoja de ruta sobre la división solar del agua: estado actual y perspectivas futuras" . Nano Futures . 1 (2): 022001. Bibcode : 2017NanoF...1b2001C . doi : 10.1088/2399-1984/aa88a1 . S2CID 3903962 . 
  11. ↑ Navarro Yerga RM, Alvarez Galván MC, del Valle F, Villoria de la Mano JA, Fierro JL (2009). "Descomposición del agua en catalizadores semiconductores bajo irradiación de luz visible". ChemSusChem . 2 (6): 471– 485. Bibcode : 2009ChSCh...2..471N . doi : 10.1002/cssc.200900018 . PMID 19536754 . 
  12. ↑ Navarro RM, del Valle F, Villoria De La Mano JA, Álvarez-Galván MC, Fierro JL (2009). "Fotocatálisis de la división del agua bajo luz visible". En de Lasa HI, Rosales BS (eds.). Fotocatálisis de la división del agua bajo luz visible: concepto y requisitos de materiales . Advances in Chemical Engineering. Vol. 36. pp. 111–143 . doi : 10.1016/S0065-2377(09)00404-9 . ISBN   978-0-12-374763-1.
  13. ↑ Lin LH, Wang PL, Rumble D, Lippmann-Pipke J, Boice E, Pratt LM, et al. (2006). " Sostenibilidad a largo plazo de un bioma de corteza de alta energía y baja diversidad" . Science . 314 (5798): 479– 82. Bibcode : 2006Sci...314..479L . doi : 10.1126 / science.1127376 . OSTI 920334. PMID 17053150. S2CID 22420345 .    
  14. ↑ Funk JE (2001). "Producción termoquímica de hidrógeno: pasado y presente". International Journal of Hydrogen Energy . 26 (3): 185– 190. Bibcode : 2001IJHE...26..185E . doi : 10.1016/S0360-3199(00)00062-8 .
  15. ↑ Kostov MK, Santiso EE, George AM, Gubbins KE, Nardelli MB (2005). "Disociación del agua en sustratos de carbono defectuosos" . Physical Review Letters . 95 (13) 136105. Bibcode : 2005PhRvL..95m6105K . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.136105 . PMID 16197155 . 
  16. ↑ Yildiz B, Petri MC, Conzelmann G, Forsberg C (2005). "Configuración e implicaciones tecnológicas de posibles aplicaciones de sistemas de hidrógeno nuclear" (PDF) . Laboratorio Nacional Argonne . Universidad de Chicago. Archivado (PDF) del original el 27 de septiembre de 2007. Recuperado el 19 de octubre de 2024 .
  17. ↑ Naterer GF, Suppiah S, Lewis M, Gabriel K, Dincer I, Rosen MA, et al. (2009). "Avances recientes en Canadá en la producción de hidrógeno de base nuclear y el ciclo termoquímico Cu-Cl". International Journal of Hydrogen Energy . 34 (7): 2901– 2917. Bibcode : 2009IJHE...34.2901N . doi : 10.1016/j.ijhydene.2009.01.090 . 
  18. ↑ Bürkle D, Roeb M (15 de noviembre de 2008). "Científicos del DLR logran la producción de hidrógeno solar en una planta piloto de 100 kilovatios" . DLR - Centro Aeroespacial Alemán . Archivado del original el 4 de junio de 2011. Consultado el 19 de octubre de 2024 .
  19. ↑ "Sistemas de energía H2" . Archivado del original el 4 de marzo de 2012.
  20. ↑ Weimer A (2006). "Desarrollo de la producción termoquímica de hidrógeno a partir de agua mediante energía solar" (PDF) . Programa de hidrógeno del DOE . Archivado del original (PDF) el 6 de junio de 2022. Consultado el 11 de abril de 2021 .
  21. 1 2 Weimer A (2005). "Desarrollo de la producción termoquímica de hidrógeno a partir de agua mediante energía solar" (PDF) . Programa de hidrógeno del DOE . Archivado del original (PDF) el 3 de mayo de 2019. Recuperado el 11 de abril de 2021 .
  • El desacoplamiento del hidrógeno durante la electrolisis del cátodo de Ni oxydée , JEAC